電子秤-數字亂跳-斷線危機-維修DIY

我一位朋友說他的電子秤面板讀值會亂跳,希望我幫他檢查看看,於是就將 電子秤 寄給我,結果我還真的把它修好了,只是要修這個東西需要對電子秤有些了解,所以後面我除了會說明怎麼維修之外,也會說明電子秤的原理。

秤盤脫落

收到貨之後當然是先開箱如下圖,一打開才發現秤盤怎麼和機體是分開的,於是趕緊向朋友確認他當初裝箱的時候秤盤是安好的嗎? 得到的答案是肯定的,那表示秤盤是在物流運送途中脫落的,只是螺絲到哪去了呢?

開箱時秤盤脫落
開箱時秤盤脫落

當我把電子秤拿起來的時候,才發現裡面有聲音,原來是秤盤的兩顆螺絲掉在機體裡面如下圖。只是真有這麼剛好,就在人家把電子秤拿給我的時候螺絲就掉了? 我推測秤盤的螺絲應該原本就是鬆的,因此數字才會亂跳,為了驗證這個想法,所以我把螺絲鎖回去,而且我還故意鎖不緊,就讓秤盤鬆鬆的,看看讀值會不會亂跳,經過實測我發現讀值非常穩定,並沒有所謂不穩定的現象,所以目前電子秤是好的,沒有異狀,這樣是要怎麼修下去呢?

秤盤脫落的兩顆螺絲
秤盤脫落的兩顆螺絲

面對功能完好如初的電子秤,我開始有點想要打包起來還給主人了,畢竟沒有問題的東西,我很難去懷疑它哪裡有問題,除非這兩顆螺絲還有其他我還沒想到的玄機。但講到螺絲鬆脫就讓我想到一件事,在2013年的時候,英國曼徹斯特博物館裡面的埃及雕像,被人發現會自己旋轉如下圖,而且是慢慢旋轉,需要用縮時攝影才能發現,當時嚇壞不少人,以為是詛咒甚麼來著,但其實這就是因為遊客腳步與汽車經過的震動所造成的現象。回到電子秤來說,這只能解釋螺絲會因為震動而鬆脫,無法解釋電子秤的讀值為何會亂跳。

自己會旋轉的埃及雕像
自己會旋轉的埃及雕像

電子秤工作原理

既然東西都好好的,當然也就無法修理,那我們就把電子秤拆開來看看裡面到底是怎麼運作的吧。拆開來之後,裡面只有一片電路板如下圖,這個主機板中間有個黑黑的東西,它就是主晶片,它並不是焊在電路板上,使用的是COB(Chip on board)的製程,直接把晶片與PCB的PAD打線接在一起,再用膠封起來,基本上如果是COB晶片故障就無法修理,等同於直接報銷。複雜的線路都在晶片內部做完了,剩下的外部線路就非常簡單,僅有幾條電線連接必要裝置,下排的6條電線往右下角接到重量感測器與電池,左邊的2條電線接到LCD顯示器的背光源。

電子秤的電路板
電子秤的電路板

接下來的重點就是下圖的重量感測器,它是一個金屬塊中間挖空,以目前這個Sensor來說它是中間挖兩個洞,並在上下兩面用膠黏著四條電線將訊號送到主機板上。

電子秤的重量感測器
電子秤的重量感測器

這一塊金屬之所以能測量重量,秘密就藏在膠底下,請看下圖,這兩個洞產生了四個特殊的位置A、B、A’、B’,由於這些地方的金屬厚度較薄,因此若右邊有重量下壓的時候,這些地方會產生形變,因此只要在這些地方貼上應變規Strain gauge,就可以偵測到形變。

重量感測器上的應變規
重量感測器上的應變規

所謂應變規就是一種對於伸長與縮短的現象會反映在電阻值上的一種感測器,它基本上就是把軟性電路板的線路做成來回折返的形狀,軌跡又長又細,這樣電阻的變化大,比較容易量測,將它黏在待測物上就可以使用,非常方便。應變規被拉長時,電阻值就會增加,如果是縮短,電阻值就會減少。

把四個應變規接成如上圖右上角的電路,就是一個重量感測器,這種接法稱為惠斯同電橋,所以會有四個接點,也就是實體照片裡面的那四條線,上下兩點用來供電,左右兩點用來量測電壓。

為何要用惠斯同電橋呢? 因為應變規使用的場合都是形變非常微小的地方,所以電阻的變化也很小,假設應變規的電阻是350 ohm的話,它對於伸縮所產生的電阻變化可能只有1 ohm上下,也就是349 ohm ~ 351 ohm的範圍,要測量這麼小的電阻變化,直接使用電流供電而得到電壓來判定形變程度是非常困難的,因此在實務上才會用四個應變規組成一個惠斯同電橋,它可以提供差動訊號,也能很直觀的作分析。

舉個例子請看下圖,當金屬塊的右端有重量下壓時,A與A’的電阻會變大,B與B’的電阻會變小,下圖中我用藍色長條的長度來代表電阻,根據分壓定律左邊的電壓會變低,右邊的電壓會變高,這麼一來中間的電壓V就出現變化了,雖然V很小但畢竟不是零,後段再用差動放大器把訊號放大,就可以拿來判讀重量了,這個就是重量感測器的原理。。

應變規組成惠斯同電橋用來測量重量
應變規組成惠斯同電橋用來測量重量

重量感測器的電壓訊號

雖然說我知道重量感測器的V很小,只是不知道它會多小,基於好奇我就拿了電表來測量看看,所以左手拿探針,右手狂壓重量感測器,電表的讀值一直都是0mV如下圖,基本上就是量不到,因為電壓太小了,所以難怪後面才要接放大器。

重量感測器的電壓訊號很小
重量感測器的電壓訊號很小

那如果拿示波器來看,會不會有不一樣的視角? 由於示波器探棒需要有東西可以勾,於是我把Sensor的兩條訊號線從板子上解焊下來比較好勾,因為我只是要看電壓變化而已,然後再分別接上示波器的CH1黃色與CH2藍色如下圖,我還特別將兩個Channel做減法運算,也就是下圖紅色的軌跡,想說或許可以看到一些電壓變化的痕跡,但是當我用塑膠棒將Sensor下壓的時候,紅色軌跡幾乎看不出有任何變化的趨勢,所以重量感測器的電壓訊號還真的是小到儀器都看不出來啊。

利用示波器觀察重量感測器訊號
利用示波器觀察重量感測器訊號

意外發現接觸不良

就在當我準備把示波器探棒移除準備收工的時候,突然發現黃色的波形有抖動的現象,由於這個抖動是我觸碰下圖中白色電線時所產生的,這對我來說是個警訊。因為一般示波器探棒僅是以鉤子勾住電線,電線的震動有可能造成探棒短暫的接觸不良,因而在波形上產生擾動,然而我心中會出現警訊的原因,是因為這個電線很軟,基本上不小心輕輕碰到的話,照理來說不太容易發生接觸不良,但如果電線裡面有斷掉,那就很容易接觸不良。

為求慎重我拿了聶子在靠近探棒的電線附近,故意又扯又拉又彎,看看會不會出現波形的抖動,結果還真的有,由於抖動的波形稍縱即逝,我將它截圖在下圖左方,大家可以看得比較清楚。

重量感測器的電線發生接觸不良
重量感測器的電線發生接觸不良

斷線之下的電子秤讀值

這下子我真的覺得斷線的機會很高,如果真的是電線內部有斷線,那電子秤還真的有可能時好時壞,只不過我剛剛遇到的是好的狀況。假設重量感測器是完全斷線的情況,那麼讀值會是如何呢? 由於剛才為了接示波器我已經把感測器的訊號線從主機板上移除了,如果要看讀值的話只要將電子秤的上蓋翻過來看就好,一翻過來果真就發現讀值不斷的亂跳,這該不會就是我朋友說的狀況吧? 於是趕緊拍短片傳給他確認,結果他一看到就馬上說: 對! 就是這個狀況,Bingo! 終於逮到它了

重量感測器斷線之下的讀值會亂跳
重量感測器斷線之下的讀值會亂跳

電線重新剝線焊接

目前為止我已經知道白色的電線有問題了,於是將它拿來好好檢視一番,我發現它的線頭很脆弱,幾乎沒甚麼應力,用手指推它的時候,它就直接軟軟的順勢歪到另一邊去了,正當我在那彎來彎去檢查的時候,線頭的裸線突然當場就斷了,噢! 原來是這樣,這個線頭已經逼近斷掉邊緣,還被我推了幾次於是我成了壓垮駱駝的最後一根稻草,最後它真的就斷了。

逼近斷掉邊緣的線頭
逼近斷掉邊緣的線頭

既然斷了我就把線頭剪掉重新剝線焊接,我想應該可以讓電子秤起死回生如下圖,事實上我為了保險起見,除了白色線之外,我連其它電線也都一併重新剪掉焊接過,因為既然都已經拆開了,就全部做一次預防性處理,以免夜長夢多。

將電線重新剪掉剝線做焊接
將電線重新剪掉剝線做焊接

組裝前測試

把所有的線都重新焊好之後,當然要先試一下讀值是否還會亂跳,於是我把電源打開,嘗試用手去撥動電線,沒想到讀值依舊會亂跳,原本心裡驚了一下,想說該不會剛才的電線做失敗了吧,後來想到人體本身就有天線收訊的效果,用手靠近如此微小的電壓訊號,即便沒有接觸倒,外界的電磁波也都會透過人體被電線感應進去,進而干擾讀值,關於手指的天線效應,各位可以參考這篇手摸示波器探棒-為何有弦波? 原因在這裡

用手觸摸感測器訊號線會引起干擾
用手觸摸感測器訊號線會引起干擾

為了排除手指的干擾,我拿了一根塑膠棒來代替手指,用這根塑膠棒來撥動訊號線,看起來讀值似乎已經完全穩定了。為了方便觀察,我把讀值歸零如下圖,不管我怎麼撥動訊號線,讀值都是零,真是太好了,所以我很確定修好了,那就可以組裝起來了。

塑膠棒撥動訊號線得到穩定的讀值
塑膠棒撥動訊號線得到穩定的讀值

最終測試

最後當然就是要做組裝後的測試了,剛才沒問題不代表組裝之後也沒問題,誰知道電線裡面是不是又有那裡卡到,所以組裝後一定還要再做一次測試。於是我隨手拿了一支螺絲起子,放上秤盤反覆測試,每次都能得到穩定的22g讀值,這樣就證明完全修好囉。

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